Quel est l'avenir de l'énergie de fusion ?

May 30, 2023

La fusion nucléaire n'arrivera pas à temps pour résoudre le changement climatique, mais elle pourrait être essentielle pour nos futurs besoins énergétiques

En décembre dernier, les physiciens travaillant sur la fusion ont revendiqué une percée. Une équipe du National Ignition Facility (NIF) en Californie a annoncé qu'elle avait extrait plus d'énergie d'une réaction de fusion nucléaire contrôlée que celle utilisée pour la déclencher. C'était une première mondiale et une étape importante pour la physique, mais très loin de permettre l'exploitation pratique de la fusion comme source d'énergie. L'annonce très médiatisée a suscité un schéma familier de réponses à la recherche sur la fusion : éloges des promoteurs de la technologie et rejets des sceptiques, qui se plaignent que les scientifiques promettent continuellement que la fusion n'est que dans 20 ans (ou 30 ou 50, faites votre choix).

Ces réactions ferventes reflètent les enjeux élevés de la fusion. Le monde cherche de plus en plus désespérément une source abondante d'énergie propre qui peut atténuer la crise climatique créée par la combustion de combustibles fossiles. La fusion nucléaire - la fusion de noyaux atomiques légers - a le potentiel de produire de l'énergie avec des émissions de carbone proches de zéro, sans créer les déchets radioactifs dangereux associés aux réacteurs à fission nucléaire d'aujourd'hui, qui divisent les noyaux très lourds d'éléments radioactifs. Les physiciens étudient l'énergie de fusion depuis les années 1950, mais la transformer en une source d'énergie pratique est resté frustrant. Sera-t-il un jour une source d'énergie importante pour notre planète avide d'énergie et, si oui, arrivera-t-il à temps pour sauver la Terre de l'effondrement ?

Cette dernière question est l'une des rares dans ce domaine à laquelle il existe une réponse claire. La plupart des experts conviennent qu'il est peu probable que nous soyons en mesure de générer de l'énergie à grande échelle à partir de la fusion nucléaire avant 2050 environ (les prudents pourraient ajouter une autre décennie). Étant donné que l'augmentation de la température mondiale au cours du siècle actuel peut être largement déterminée par ce que nous faisons - ou ne faisons pas - concernant les émissions de carbone avant cette date, la fusion ne peut pas être un sauveur. (La chroniqueuse de l'Observatoire Naomi Oreskes souligne également ce point ici.) "Je pense que la fusion semble beaucoup plus plausible maintenant qu'elle ne l'était il y a 10 ans en tant que future source d'énergie", déclare Omar Hurricane, responsable du programme au Lawrence Livermore National Laboratory, où le NIF est hébergé. "Mais ce ne sera pas viable dans les 10 à 20 prochaines années, nous avons donc besoin d'autres solutions."

La décarbonation d'ici le milieu du siècle dépendra donc d'autres technologies : les énergies renouvelables comme le solaire et l'éolien ; fission nucléaire; et peut-être des techniques de captage du carbone. Cependant, à plus long terme, il y a de bonnes raisons de penser que la fusion sera un élément clé de l'économie énergétique dans la seconde moitié du siècle, lorsque davantage de pays en développement commenceront à exiger des budgets énergétiques de taille occidentale. Et résoudre le problème du changement climatique n'est pas une affaire ponctuelle. Si nous pouvons naviguer dans le goulot d'étranglement des prochaines décennies sans transformer le climat trop radicalement, la route au-delà pourrait être plus facile.

La fusion nucléaire a été reconnue comme une source d'énergie potentielle presque aussi tôt que la fission. Lors d'une réunion de débriefing du projet Manhattan à la fin de 1945, le physicien italien Enrico Fermi, qui a dirigé le projet de construction du premier réacteur à fission à Chicago pendant la Seconde Guerre mondiale, a imaginé des réacteurs à fusion pour la production d'électricité. Les scientifiques ont compris comment libérer l'énergie de fusion quelques années plus tard, mais seulement dans les explosions incontrôlées de bombes à hydrogène de type Armageddon. Une fois que nous aurons appris à mener le processus de manière contrôlée et soutenue, certains scientifiques ont prédit que l'électricité deviendrait "trop ​​bon marché pour être mesurée".

Mais les défis se sont avérés bien plus importants que prévu. "C'est super dur", dit Hurricane. "Nous fabriquons essentiellement des étoiles sur Terre." La fusion de deux atomes d'hydrogène pour fabriquer de l'hélium est le principal processus qui alimente le soleil et les autres étoiles. Lorsque de tels noyaux atomiques légers se combinent, ils libèrent une immense quantité d'énergie. Mais parce que ces noyaux ont des charges électriques positives, ils se repoussent, et il faut des pressions et des températures énormes pour surmonter cette barrière électrostatique et les amener à fusionner. Si les scientifiques peuvent contenir le carburant de la fusion - un mélange plasmatique de deutérium et de tritium, deux isotopes lourds de l'hydrogène - l'énergie libérée dans la réaction peut la rendre auto-entretenue. Mais comment embouteiller un plasma à une température d'environ 100 millions de kelvins, plusieurs fois plus chaude que le centre du soleil ?

Aucun matériau connu ne peut résister à des conditions aussi extrêmes ; ils feraient fondre même des métaux extrêmement résistants à la chaleur tels que le tungstène en un instant. La réponse longtemps privilégiée pour la conception des réacteurs est le confinement magnétique : maintenir le plasma chargé électriquement dans une "bouteille magnétique" formée par de forts champs magnétiques afin qu'il ne touche jamais les parois de la chambre de fusion. La conception la plus populaire, appelée tokamak et proposée dans les années 1950 par des scientifiques soviétiques, utilise un récipient toroïdal (ou en forme de beignet).

Le processus nécessite un contrôle exquis. Le plasma furieusement chaud ne reste pas immobile : il a tendance à développer de grands gradients de température, qui génèrent de forts courants de convection qui rendent le plasma turbulent et difficile à gérer. De telles instabilités, apparentées à des éruptions solaires miniatures, peuvent amener le plasma au contact des murs, les endommageant. D'autres instabilités du plasma peuvent produire des faisceaux d'électrons à haute énergie qui forent des trous dans la gaine de la chambre de réaction. La suppression ou la gestion de ces fluctuations a été l'un des principaux défis pour les concepteurs de tokamak. "Le grand succès des 10 dernières années a été de comprendre cette turbulence de manière quantitative", déclare Steven Cowley, qui dirige le Princeton Plasma Physics Laboratory.

L'un des plus grands obstacles à la fusion par confinement magnétique est le besoin de matériaux capables de résister au traitement difficile qu'ils recevront du plasma de fusion. En particulier, la fusion deutérium-tritium crée un flux intense de neutrons à haute énergie, qui entrent en collision avec les noyaux des atomes dans les parois métalliques et la gaine, provoquant de minuscules points de fusion. Le métal recristallise alors mais est affaibli, avec des atomes décalés de leurs positions initiales. Dans le revêtement d'un réacteur à fusion typique, chaque atome peut être déplacé environ 100 fois au cours de la durée de vie du réacteur.

Les conséquences d'un bombardement neutronique aussi intense ne sont pas bien comprises, car la fusion n'a jamais été maintenue pendant les longues périodes qui seraient nécessaires dans un réacteur en fonctionnement. "Nous ne connaissons pas et ne connaîtrons pas la dégradation et la durée de vie des matériaux tant que nous n'aurons pas exploité une centrale électrique", déclare Ian Chapman, PDG de la UK Atomic Energy Authority (UKAEA), l'organisation de l'énergie nucléaire du gouvernement britannique. Néanmoins, des informations importantes sur ces problèmes de dégradation pourraient être tirées d'une expérience simple qui génère des faisceaux de neutrons intenses qui peuvent être utilisés pour tester des matériaux. Une telle installation - un projet basé sur un accélérateur de particules appelé International Fusion Materials Irradiation Facility - Demo Oriented Neutron Source - devrait commencer à fonctionner à Grenade, en Espagne, au début des années 2030. Une installation américaine similaire appelée Fusion Prototypic Neutron Source a été proposée mais n'a pas encore été approuvée.

Il n'y a toujours aucune garantie que ces problèmes matériels puissent être résolus. S'ils s'avèrent insurmontables, une alternative consiste à réaliser les parois du réacteur en métal liquide, qui ne peut être endommagé par la fusion et la recristallisation. Mais cela, dit Cowley, entraîne toute une série d'autres problèmes techniques.

Un autre défi majeur est la fabrication du combustible de fusion. Le monde a du deutérium en abondance : cet isotope constitue 0,016 % de l'hydrogène naturel, de sorte que les mers en sont littéralement inondées. Mais le tritium ne se forme naturellement qu'en petites quantités, et il se désintègre radioactivement avec une demi-vie de seulement 12 ans, il disparaît donc constamment et doit être produit à nouveau. En principe, il peut être "issu" de réactions de fusion car les neutrons de fusion réagiront avec le lithium pour le fabriquer. La plupart des conceptions de réacteurs intègrent ce processus de reproduction en entourant la chambre du réacteur d'une couverture de lithium. Néanmoins, la technologie n'a pas fait ses preuves à grande échelle et personne ne sait vraiment si la production et l'extraction du tritium fonctionneront ou non.

Le plus grand projet de fusion au monde, ITER (latin pour "le chemin" et à l'origine un acronyme pour "International Thermonuclear Experimental Reactor") dans le sud de la France, utilisera un tokamak massif avec un rayon de plasma de 6,2 mètres ; l'ensemble de la machine pèsera 23 000 tonnes métriques. Si tout se passe comme prévu, ITER, soutenu par l'Union européenne, le Royaume-Uni, la Chine, l'Inde, le Japon, la Corée du Sud, la Russie et les États-Unis, sera le premier réacteur à fusion à démontrer une production d'énergie continue à l'échelle d'une centrale électrique ( environ 500 mégawatts, ou MW). La construction a commencé en 2007. L'espoir initial était que des plasmas seraient produits dans la chambre de fusion vers 2020, mais ITER a subi des retards répétés alors que le coût estimé à 5,45 milliards de dollars a quadruplé. En janvier dernier, les responsables du projet ont annoncé un nouveau revers : le démarrage prévu de l'exploitation en 2035 pourrait être reporté aux années 2040. ITER ne produira pas d'énergie commerciale - comme son nom l'indique, il s'agit strictement d'une machine expérimentale destinée à résoudre des problèmes d'ingénierie et à préparer la voie à des centrales électriques viables.

Ce nouveau hold-up de ce que certains considèrent comme un mastodonte encombrant sans garantie de succès a provoqué un autre accès de scepticisme quant à la fusion. Mais de tels problèmes sont à prévoir, dit Hurricane. "ITER est souvent battu, mais nous devons leur donner une pause et les laisser régler les problèmes", dit-il.

Chapman est d'accord. "Il était très prévisible qu'il y aurait des problèmes, à la fois politiques et techniques", dit-il. "Le projet fait des choses incroyables, notamment en établissant des chaînes d'approvisionnement qui n'existaient pas auparavant." Le retard est décevant, admet-il, « mais je ne pense pas qu'on reviendra sur ITER et qu'on pensera que c'était une erreur. On pensera que c'était vraiment important dans la genèse de la fusion. Je suis convaincu que ça va marcher. ."

Les tokamaks pour les centrales électriques n'auront probablement pas besoin d'être aussi gargantuesques, et certainement pas aussi chers, qu'ITER. Dernièrement, il y a eu un intérêt croissant pour les appareils plus petits avec une forme plus sphérique, comme une pomme évidée. L'UKAEA envisage de développer l'une d'entre elles, le tokamak sphérique pour la production d'énergie (STEP), en tant qu'usine pilote à développer en parallèle avec ITER.

Le concept de conception sphérique a fait l'objet d'une démonstration de principe réussie avec un appareil appelé Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST), qui a fonctionné de 1999 à 2013, supervisé par l'UKAEA et la Communauté européenne de l'énergie atomique (Euratom). Ces machines plus petites ont une densité d'énergie plus élevée et donc un plus grand risque de dommages thermiques, en particulier du fait de l'extraction du combustible usé chaud dans le système "d'échappement". Une version améliorée - MAST Upgrade - a été activée en 2020 et a été capable d'extraire la chaleur environ 20 fois plus efficacement que l'original. "Cela ouvre vraiment la voie à la conception d'une centrale électrique compacte", déclare Chapman.

Entrez STEP, qui vise à être juste cela : une usine prototype qui produit de l'électricité nette. Il en est encore à la phase de conception, mais le gouvernement britannique a déjà décidé de créer une réglementation sur mesure pour le projet - le premier au monde pour la fusion - qui élimine le besoin d'une licence nucléaire conventionnelle. Les dirigeants ont choisi un site en octobre dernier : une centrale électrique au charbon dans le nord de l'Angleterre qui a cessé ses activités en mars et devrait être démolie début 2024. Le site dispose déjà d'une alimentation en eau de refroidissement et de connexions au réseau national et au système ferroviaire.

L'UE prévoit son propre prototype de centrale, appelé DEMOnstration Power Plant (DEMO), administré par le consortium EUROfusion. Le projet était initialement prévu comme une centrale de 500 MW, mais l'année dernière, les incertitudes techniques résultant des retards d'ITER ont conduit le consortium à réduire l'objectif à environ 200 MW. La construction pourrait commencer au début des années 2040, explique Tony Donné, responsable du programme d'EUROfusion. "Je suis convaincu que nous pouvons construire un tel appareil en 10 ans."

Donné ajoute qu'il existe des projets équivalents de « tremplin » vers des usines de fusion en Corée du Sud, au Japon et en Chine ; les États-Unis ont fait des plans pour un appareil plus petit appelé Fusion Nuclear Science Facility. "La Chine est arrivée un peu en retard à la fête, mais elle investit maintenant massivement et augmente rapidement sa main-d'œuvre", a déclaré Chapman. "Cela rattrape définitivement ce qui existe déjà en Europe et aux États-Unis" Donné estime qu'une compétition amicale - une sorte de "course à la lune" pour le premier prototype d'usine de fusion - pourrait être bénéfique tant que les pays continueront à partager des informations.

Il ne s'agit pas seulement de grands projets nationaux et internationaux. Les petits tokamaks sphériques font partie des technologies qui ont mis la fusion à la portée des entreprises privées. Plusieurs dizaines de start-ups de fusion ont vu le jour dans le monde, telles que Commonwealth Fusion Systems (CFS) dans le Massachusetts, General Fusion au Canada et Tokamak Energy au Royaume-Uni.

General Fusion, avec le soutien de l'UKAEA, vient de commencer la construction d'une usine de démonstration qu'elle espère (ambitieusement) voir fonctionner d'ici 2025. Selon l'ancien PDG de l'entreprise, Christofer Mowry, ce sera "la première grande centrale électrique pertinente". démonstration à grande échelle." Pendant ce temps, CFS, en partenariat avec le Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du Massachusetts Institute of Technology et d'autres, construit un prototype de dispositif appelé SPARC, également prévu pour être achevé en 2025. SPARC sera un tokamak de taille moyenne dans lequel le plasma est étroitement confinés par des champs magnétiques très intenses produits par de nouveaux aimants supraconducteurs à haute température développés au MIT et dévoilés en 2021. De tels aimants ont été salués comme une étape importante pour la fusion par confinement magnétique car la densité de puissance dans le plasma augmente rapidement à mesure que la force du le champ magnétique augmente.

L'équipe SPARC vise à extraire l'énergie nette du plasma (environ 10 fois plus d'énergie à l'extérieur qu'à l'intérieur) et à générer 50 à 140 MW de puissance de fusion. Bien que SPARC soit beaucoup plus petit qu'ITER, le directeur du PSFC, Dennis Whyte, affirme que sa mission est similaire : résoudre les problèmes scientifiques et technologiques qui entravent la commercialisation. Il n'injectera aucune énergie dans le réseau, mais il est destiné à ouvrir la voie au concept de réacteur à fusion "abordable, robuste et compact" développé au MIT et poursuivi par CFS, que Cowley considère comme "l'entreprise la plus percutante" à ce jour.

Cowley accueille favorablement de tels projets mais met en garde contre les considérer comme un raccourci pour faire de la fusion une source d'énergie réaliste. "Nous voyons ces start-up arriver avec beaucoup d'enthousiasme, et elles se concentrent en grande partie sur une partie particulière du problème", dit-il. Il est très peu probable que l'un d'entre eux commercialise l'énergie de fusion avant les gros canons, et beaucoup se replieront tout simplement, comme le font toujours certaines start-ups. Mais Chapman pense que d'autres deviendront de précieux fournisseurs d'expertise et de composants spécialisés tels que les aimants. "La plupart des petites entreprises de fusion finiront par faire partie de la chaîne d'approvisionnement", dit-il.

Les configurations de fusion par confinement magnétique ne se limitent pas nécessairement aux tokamaks. Dans les années 1950, l'astrophysicien Lyman Spitzer a fait valoir que le plasma pourrait être contenu plus efficacement dans une chambre en forme de beignet avec une paroi de tunnel tordue. Avec cette configuration, le dispositif pourrait maintenir le plasma contraint en utilisant les champs magnétiques générés par les flux dans le plasma chargé lui-même.

La géométrie plus complexe de cette conception, appelée stellarator, est délicate à concevoir, mais quelques projets la poursuivent. Un exemple notable est le stellarator Wendelstein 7-X à Greifswald, en Allemagne, achevé en 2015 et qui fonctionne à nouveau après une mise à niveau de trois ans. "Un stellarator présente certains avantages, mais techniquement, c'est un appareil plus compliqué", explique Donné. "En Europe, nous travaillons sur le stellarator en secours du tokamak." La technologie en est encore à un stade relativement précoce, donc si cette sauvegarde s'avère essentielle, le calendrier de la fusion pratique sera probablement repoussé.

La stratégie du FNI est totalement différente de tous ces projets. Au lieu d'utiliser une grande quantité de plasma confiné par des champs magnétiques, l'expérience NIF enflamme une minuscule cible de deutérium et de tritium. Dans ce cas, le plasma de fusion n'est maintenu en place que brièvement par sa propre inertie après que l'expérience a déclenché la fusion en pressant brusquement le combustible et en le chauffant intensément - un schéma appelé fusion par confinement inertiel. Le NIF produit ces conditions extrêmes en focalisant des faisceaux laser très intenses sur les cibles en forme de pastilles. L'énergie de fusion est libérée en une brève rafale avant que le plasma chaud ne se dilate. Ce type de production d'énergie se produirait donc par impulsions et les capsules de combustible devraient être constamment déplacées les unes après les autres dans la chambre de réaction pour être allumées. La plupart des chercheurs estiment que pour que l'approche soit pratique, les capsules devraient être remplacées environ 10 fois par seconde.

Les défis de la fusion par confinement inertiel sont de taille et, à l'heure actuelle, seules quelques installations dans le monde l'étudient. Outre le NIF, le plus grand, il y a l'installation laser Mégajoule en France et l'installation laser Shenguang-III en Chine ; La Russie pourrait également poursuivre cette approche, mais les détails sont difficiles à déterminer. La production d'énergie n'est pas réellement une partie principale de la mission NIF; l'installation était principalement destinée à déclencher des réactions nucléaires pour étudier et maintenir le stock américain d'armes nucléaires. "Le travail principal au NIF a été entièrement financé par l'appareil de sécurité nationale des États-Unis", a déclaré Hurricane. "Ce n'est pas un réacteur à fusion et n'est pas destiné à démontrer l'énergie de fusion dans un sens pratique."

Il reste encore beaucoup à faire pour faire de la fusion par confinement inertiel un véritable concurrent pour la fourniture d'énergie. "Le travail s'est concentré sur la science fondamentale, et nous n'avons pas mis autant d'efforts dans les technologies de support nécessaires pour une centrale électrique", explique Tammy Ma, qui dirige l'initiative d'énergie de fusion inertielle du NIF.

Compte tenu de ce paysage varié de projets de fusion, à quel point l'énergie de fusion pratique est-elle vraiment proche ? Chapman est franc : "Il n'y a pas aujourd'hui un seul projet en cours pour construire une centrale à fusion qui produira de l'énergie."

Et les vraies centrales électriques, celles qui ne sont pas que des prototypes, prennent une dizaine d'années à construire. "Les expériences progressent, et les progrès sont impressionnants", dit Chapman, "mais la fusion ne fonctionnera pas [comme source d'énergie de masse] dans quelques années." Donné est encore plus direct : "Quiconque me dit qu'il aura un futur réacteur fonctionnel dans cinq ou dix ans est soit complètement ignorant, soit un menteur."

Prévoir quand l'énergie de fusion arrivera a toujours été une entreprise risquée, mais les experts s'accordent désormais pour la plupart sur les délais approximatifs. "Supposons que nous ayons une usine pilote qui fonctionne d'ici la fin des années 2030, même si cela fonctionnerait un peu", déclare Cowley. Il est peu probable qu'une telle usine soit un modèle de commercialisation, et donc, dit-il, "je pense qu'il y aurait une autre étape d'environ 10 ans entre une usine pilote et le premier réacteur commercial". Chapman convient que les centrales à fusion pourraient alimenter le réseau vers 2050 et pourraient ensuite devenir de plus en plus importantes pour l'économie énergétique dans la seconde moitié du siècle, en particulier après 2060.

Les centrales à fusion seront probablement à peu près de la même taille que les centrales à combustible fossile ou à fission d'aujourd'hui, avec des sorties de quelques gigawatts. Cela signifie qu'ils pourraient être construits sur les mêmes sites, en remplaçant ce qui est pareil, et avec toute l'infrastructure de réseau électrique nécessaire déjà en place. "On pourrait dire que la fusion est très facile à brancher et à remplacer soit les combustibles fossiles, soit la fission", explique Donné. "Cela peut être une transition très douce." Il s'attend à ce que les centrales à fusion remplacent d'abord les centrales au charbon encore actives, puis le pétrole et le gaz, et enfin la fission.

Même si la fusion ne peut pas nous sauver de la crise climatique immédiate, à long terme, elle peut être la meilleure option pour satisfaire nos besoins énergétiques sans détruire la planète. Le visionnaire soviétique de la fusion Lev Artsimovich, le "père du tokamak", a dit un jour que le monde aura la fusion nucléaire quand il décidera qu'il en aura besoin. "Lorsque nous réaliserons ce que le changement climatique fera en tant que menace existentielle, la livraison de la fusion s'accélérera énormément", déclare Chapman, faisant une analogie avec le développement rapide des vaccins COVID-19. Pour le moment, nous n'avons tout simplement aucun autre moyen à long terme d'atteindre des émissions nettes de carbone nulles, en particulier parce que la demande énergétique mondiale devrait tripler entre 2050 et 2100. "La fusion est essentielle" pour répondre à ce besoin, déclare Chapman. "Je ne vois pas ce que ce sera d'autre." Les énergies renouvelables telles que l'énergie éolienne et solaire ont certainement un rôle à jouer, dit Donné, mais elles ne seront probablement pas suffisantes.

Construire un nouveau type d'infrastructure énergétique à partir de zéro présente des opportunités ainsi que des défis. Les planificateurs de la fission nucléaire ont commis de graves erreurs en termes de conception et de relations publiques, mais l'industrie naissante de la fusion a maintenant une chance d'apprendre de ces erreurs et de faire mieux, notamment en réfléchissant aux questions d'équité et de justice énergétiques. "Lorsque nous avons ces centrales, où les plaçons-nous afin de pouvoir fournir une source d'énergie propre à tous les types de communautés ?" demande Ma du NIF. "Comment pouvons-nous constituer une main-d'œuvre diversifiée ? Comment nous assurer que, tout en développant cette industrie, nous formons des gens pour qu'ils aient les compétences de l'avenir ? Nous pouvons au moins essayer de bien faire les choses cette fois-ci. "

Cet article a été initialement publié sous le titre "Star Power" dans Scientific American 328, 6, 28-35 (juin 2023)

doi:10.1038/scientificamerican0623-28

Philippe Boule est un écrivain scientifique basé à Londres. Son prochain livre, How Life Works (University of Chicago Press), sera publié à l'automne 2023. Crédit : Nick Higgins

Rina Diane Caballar

Archon Fung, Lawrence Lessig et The Conversation US

Clara Moskowitz

Flora Lichtmann

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Luke Taylor et le magazine Nature